《Nano-Micro Letters》：Dual-Mode Sensor with Saturated Mechanochromic Structural Color Enhanced by Black Conductive Hydrogel for Interactive Rehabilitation Monitoring
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本刊推荐：为解决传统柔性传感器缺乏实时视觉反馈的问题，研究人员受暗冠蓝鸦羽毛结构色启发，开发了黑导电聚合物水凝胶(CPH)增强羟丙基纤维素(HPC)结构色的双模式传感器(DM-BCESC)。该传感器通过聚丙烯酰胺-海藻酸钠-聚苯胺(PAM-ALG-PANI)水凝胶实现>88%可见光吸收，将结构色对比度提升至4.92倍，同时具备867.1 kPa拉伸强度和4.24应变灵敏度。其创新性地整合了电阻信号检测与机械变色视觉反馈，为康复医学提供了数字化与可视化协同评估新方案。
在全球范围内，卒中作为致残率最高的脑血管疾病，每年导致数百万患者出现运动功能障碍，给家庭和社会带来沉重负担。虽然系统的康复训练能够通过神经重塑机制帮助患者恢复运动功能，但传统临床评估工具如Fugl-Meyer评定量表主要依赖医生主观判断，缺乏客观量化数据支持。而表面肌电图等电子设备则因刚性电极与人体皮肤/组织之间的机械失配，难以在长达数月的康复期内实现连续监测。这种评估方式与患者实际康复轨迹的脱节，可能影响治疗效果并延长功能恢复周期。
柔性传感器在个性化医疗和康复监测领域展现出巨大潜力，其中导电聚合物水凝胶(CPH)因其结合水凝胶柔韧性与导电聚合物导电性而成为理想材料。然而现有CPH传感器仍面临两大挑战：疏水性导电聚合物与亲水性水凝胶基质之间的热力学失配导致界面结合弱化，以及过度依赖电信号而缺乏直观视觉反馈机制，难以满足康复治疗对实时交互的需求。
受暗冠蓝鸦(Cyanocitta stelleri)羽毛中黑色素增强结构色的自然启发，研究团队开发了一种具有应变传感与机械变色双功能的新型传感器。这种双模式黑导电水凝胶增强结构色(DM-BCESC)传感器创新性地将羟丙基纤维素(HPC)结构色界面与设计的CPH传感组件相结合。其中黑CPH不仅作为柔性导电元件，更成为增强HPC结构色性能的关键基底——其>88%的可见光吸收率通过吸收非相干散射光和抑制背景干扰，将结构色对比度指数显著提升至4.92，使原本在非黑基底上难以察觉的HPC结构色变得鲜艳可辨。
该研究通过原位聚合法制备了PAM-ALG-PANI黑导电水凝胶，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱验证了多网络结构形成。通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了氢键(-CONH2与-COOH/-OH结合能ΔG=-10.1至-75.6 kcal mol-1)和配位键(Fe3+与-COO-/NH-结合能ΔG=-424.7 kcal mol-1)的协同作用机制。采用四点探针法测试电导率(4.08 S m-1)，万能试验系统评估力学性能，光纤光谱仪记录光学特性，并通过细胞毒性试验(CCK-8法)验证生物相容性。
3.1 DM-BCESC传感器的设计机制
通过模拟鸟类羽毛的三层结构，构建了以黑CPH为光吸收基底、HPC胆甾相液晶为结构色层的仿生体系。实验证明黑基底可将结构色对比度提升5.7倍，为视觉反馈奠定基础。
3.2 合成与表征
成功制备的PAM-ALG-PANI水凝胶呈现三维互联多孔结构，PANI均匀沉积使表面粗糙化。紫外-可见光谱显示其可见光吸收率>88%，显著高于原始PAM-ALG水凝胶。
3.3 PAM-ALG-PANI水凝胶的力学性能
优化后的PAM-ALG-PANI3水凝胶拉伸强度达867.1 kPa，较基础体系提升6.7倍；压缩强度(80%应变时)提升13倍至1.75 MPa。加载-卸载测试显示其能量耗散达0.725 MJ m-3(300%应变)，循环测试表明经4400次拉伸后仍保持稳定。
3.4 应变传感特性
传感器在0-150%应变区间灵敏度系数(GF)为2.99，150-300%区间升至4.24。连续2200次循环测试显示信号稳定性优异，在2-300%应变范围内均能产生可区分电信号。
3.5 DM-BCESC传感器的集成与表征
通过VHB胶带将HPC与黑水凝胶集成为多层器件。反射光谱分析显示黑基底系统在678 nm处呈现单一反射峰，而彩色基底产生多重干扰峰。黑基底将对比度指数(CI)提升至4.92，显著优于非黑基底(CI=0.86-2.06)。应变实验证实HPC结构色随拉伸发生红-绿-蓝连续演变，0-100%应变区间色度坐标变化显著。
3.6 康复训练监测应用
在模拟卒中患者肢体功能障碍的实验中，传感器成功监测手指抓握、踝关节背屈和膝关节弯曲等动作。Bland-Altman分析证实双模式传感器测量结果与实际关节屈曲角度高度一致，而单模式电阻传感器则出现显著偏差。传感器在体温、汗液环境下仍保持稳定输出，具备实际穿戴适用性。
该研究通过仿生设计成功开发出集应变传感与机械变色视觉反馈于一体的双模式传感器。黑CPH基底不仅解决了HPC结构色饱和度不足的难题，其多重非共价键网络结构更赋予了材料优异的机电性能。传感器在康复监测中展现出独特优势：HPC层的实时颜色变化为患者提供直观的运动矫正反馈，而CPH层的电信号则实现运动参数的精准量化。这种视觉-电信号协同反馈机制突破了传统单模式传感器的功能局限，为下一代智能康复医疗设备的发展提供了创新思路。该技术不仅适用于运动康复领域，在人机交互界面和可穿戴电子设备方面也具有广阔应用前景。
